Una collaborazione internazionale di scienziati ha creato la più grande mappa 3D del nostro Universo mai realizzata sulla base dei primi risultati del Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI). È un risultato notevole, con altri in arrivo, ma la scoperta più significativa deriva dalle nuove misurazioni dell’energia oscura effettuate dalla collaborazione.
L’energia oscura è costante nel tempo?
Questi risultati concordano più o meno con l’attuale modello teorico prevalente per l’energia oscura, in cui essa è costante nel tempo. Ma ci sono alcuni indizi allettanti che potrebbero invece variare, il che richiederebbe alcune modifiche al modello prevalente.
Queste informazioni sono ancora al di sotto della soglia necessaria per rivendicarne la scoperta. Dovremo aspettare ulteriori dati forniti dalle continue misurazioni del DESI per vedere se reggono.
Nel frattempo, numerosi documenti che approfondiscono i dettagli tecnici dietro questi primi risultati sono stati pubblicati su arXiv, e ci saranno diversi discorsi presentati in occasione di un incontro dell’American Physical Society che si terrà a Sacramento, in California, così come a Incontri di Moriond in Italia.
“I nostri risultati mostrano alcune deviazioni interessanti dal modello standard dell’Universo che potrebbero indicare che l’energia oscura si sta evolvendo nel tempo“, ha affermato Mustapha Ishak-Boushaki, fisico dell’Università del Texas, Dallas, e membro della collaborazione DESI.
“Più dati raccogliamo, meglio saremo attrezzati per determinare se questa scoperta è valida. Con più dati, potremmo identificare diverse spiegazioni per il risultato che osserviamo o confermarlo. Se persisterà, un tale risultato farà luce su ciò che sta causando l’accelerazione cosmica e fornirà un enorme passo avanti nella comprensione dell’evoluzione del nostro Universo”.
C’è stato un tempo in cui gli scienziati hanno creduto che l’Universo fosse statico, ma le cose sono cambiate con la teoria generale della relatività di Albert Einstein. Alexander Friedmann ha pubblicato una serie di equazioni nel 1922 che hanno dimostrato che l’Universo potrebbe effettivamente essere in espansione, con Georges Lemaitre che in seguito ha sviluppato una derivazione indipendente per arrivare alla stessa conclusione.
Edwin Hubble ha confermato questa espansione con dati osservativi nel 1929. Prima di questo, Einstein ha tentato di modificare la relatività generale aggiungendo una costante cosmologica per ottenere un Universo statico dalla sua teoria. Dopo la scoperta di Hubble, si è parlato di quel lavoro come del suo più grande errore.
L’espansione dell’Universo
Gli scienziati hanno ritenuto che se l’Universo fosse stato ancora in espansione, la forza attrattiva della gravità alla fine ne avrebbe rallentato il tasso di espansione. Ma nel 1998, due gruppi separati di fisici hanno misurato il cambiamento nel tasso di espansione dell’Universo, utilizzando supernove lontane come punti di riferimento.
Quando Hubble ha effettuato le sue misurazioni nel 1929, le galassie con spostamento verso il rosso più lontane si trovavano a circa 6 milioni di anni luce di distanza. Se l’espansione stesse ora rallentando sotto l’influenza della gravità, le supernovae in quelle galassie lontane dovrebbero apparire più luminose e più vicine di quanto suggerirebbero i loro spostamenti verso il rosso.
Invece è vero proprio il contrario. Ad elevati spostamenti verso il rosso, le supernovae più distanti sono più deboli di quanto lo sarebbero se l’Universo stesse rallentando. Invece di rallentare gradualmente, l’espansione dell’Universo sta accelerando.
I leader di questi due team hanno vinto il Premio Nobel per la Fisica nel 2011. Questi risultati del 1998 sono stati poi confermati da misurazioni migliorate delle supernove, nonché da misurazioni indirette del cosmic microwave background (CMB), della lente gravitazionale e della struttura su larga scala del Cosmo.
Se la materia oscura dà origine alla gravità che tiene insieme l’Universo, allora l’energia oscura è la forza contraria che spinge l’Universo a separarsi.
Nell’esistenza dell’Universo, dominava la materia oscura. Tutto era più vicino tra loro, quindi la sua densità era superiore a quella dell’energia oscura, e la sua attrazione gravitazionale era più forte così da poter formare le prime galassie.
Man mano che l’Universo continuava ad espandersi, la densità della materia oscura, e quindi l’attrazione gravitazionale, diminuiva fino a diventare inferiore a quella dell’energia oscura. Quindi, invece del previsto rallentamento del tasso di espansione, l’energia oscura, ora dominante, ha iniziato a separare l’Universo a ritmi sempre più rapidi.
La costante cosmologica di Einstein (lambda) implicava l’esistenza di una forma di gravità repulsiva. La fisica quantistica sostiene che anche il vuoto più vuoto pullula di energia sotto forma di particelle “virtuali” che ammiccano dentro e fuori dall’esistenza, volando via e riunendosi in un’intricata danza quantistica.
Questo mare in tempesta di particelle virtuali potrebbe dare origine all’energia oscura, dando all’Universo una piccola spinta in più affinché possa continuare ad accelerare. Il problema è che il vuoto quantistico contiene troppa energia : circa 10 120 volte troppa.
Quindi l’Universo dovrebbe accelerare molto più velocemente di quanto non sarebbe se l’energia oscura fosse, essenzialmente, la costante cosmologica. Tuttavia, tutte le osservazioni fino ad oggi indicano che è costante. Il miglior adattamento teorico è noto come modello Lambda CDM, che incorpora sia la materia oscura fredda che l’energia oscura che interagiscono debolmente.
Una teoria alternativa propone che l’Universo possa essere pieno di una forma fluttuante di energia oscura chiamata “ quintessenza ”. Esistono anche molti altri modelli alternativi che presuppongono che la densità dell’energia oscura sia variata nel corso della storia dell’Universo.
È qui che entrano in discussione le scoperte iniziali potenzialmente interessanti del DESI.
Nei suoi primi giorni, l’Universo era una zuppa calda e densa di particelle subatomiche, inclusi nuclei di idrogeno ed elio, ovvero i barioni. Piccole fluttuazioni hanno creato uno schema increspato attraverso quel plasma ionizzato iniziale, che si è congelato in uno spazio tridimensionale mentre l’Universo si espandeva e si raffreddava.
Queste increspature, o bolle, sono conosciute come oscillazioni acustiche barioniche (BAO). È possibile utilizzare i BAO come una sorta di sovrano cosmico per indagare gli effetti dell’energia oscura sulla storia dell’Universo.
Questo è quello per cui DESI è stato progettato: effettuare misurazioni precise della dimensione apparente di queste bolle (sia vicine che lontane) per determinare le distanze delle galassie e dei quasar su 11 miliardi di anni. Tali dati possono quindi essere suddivisi in blocchi per determinare la velocità con cui l’Universo si stava espandendo in ogni momento del passato, per modellare meglio il modo in cui l’energia oscura stava influenzando tale espansione.
“Quello che sta facendo è creare la più grande mappa 3D dell’Universo per spiegarci l’energia oscura”, ha detto Nathalie Palanque-Delabrouille, fisica del Lawrence Berkeley Laboratory e co-portavoce del DESI.
La collaborazione DESI ha rilasciato nel Giugno 2024 il primo lotto di dati (80 terabyte), raccolti durante i primi due mesi, ovvero la fase di “validazione del sondaggio“, per verificare che lo strumento funzionasse come previsto per quanto riguarda le misurazioni. Quella “One Percent Survey” è stata sufficiente per creare una mappa 3D iniziale di 700.000 galassie e quasar e un video fly-through.
Il DESI mapperà infine 3 milioni di quasar e 37 milioni di galassie entro la fine dei suoi cinque anni pianificati. Gli scienziati sono stati anche in grado di utilizzare quel set di dati per trovare prove di una migrazione di massa di stelle nella galassia di Andromeda.
Questi ultimi risultati si basano sull’analisi di un anno intero di dati presi da sette diverse porzioni di tempo cosmico e includono 450.000 quasar, i più grandi mai raccolti, con una precisione da record dell’epoca più lontana (tra 8 e 11 miliardi di anni) indietro) dello 0,82%.
Anche se c’era un accordo di base con il modello Lamba CDM, quando i risultati del primo anno sono stati combinati con i dati di altri studi (che hanno coinvolto la CMB o le supernove di tipo Ia), sono emerse alcune sottili differenze. In sostanza, l’energia oscura potrebbe indebolirsi.
Questi risultati ammontano a un livello di 2,6 sigma per i dati DESI combinati con i set di dati CMB. Questo livello di confidenza rimane o addirittura aumenta quando si aggiungono i dati sulle supernove: livelli 2,5-sigma, 3,5-sigma o 3,9-sigma, a seconda di quale particolare set di dati sulla supernova viene utilizzato. Questo si qualifica come un suggerimento interessante, al di sotto della soglia della scoperta. Ulteriori dati alla fine confermeranno tali discrepanze oppure scompariranno.
“Potrebbe essere il primo vero indizio che abbiamo ottenuto sulla natura dell’energia oscura in 25 anni”, ha spiegato Adam Reiss, fisico della Johns Hopkins University che ha condiviso il Premio Nobel per la fisica nel 2011: “Questo risultato è molto interessante e dovremmo prenderlo sul serio. Altrimenti perché faremo questi esperimenti?”.
Conclusioni
La questione se la densità dell’energia oscura vari nel tempo o rimanga costante è fondamentale per determinare come finirà il nostro Universo. Se è costante, l’accelerazione continuerà indefinitamente e la materia si allontanerà sempre di più. Entro cento miliardi di anni saremo in grado di vedere solo poche centinaia di galassie, rispetto alle centinaia di miliardi che possiamo vedere oggi: vale a dire una morte lenta e persistente per l’universo”.
“Se l’energia oscura varia, il destino del Cosmo dipende dal fatto che tale densità diminuisca o aumenti nel tempo. Se l’energia oscura diminuisce, l’espansione potrebbe rallentare abbastanza da far collassare nuovamente l’universo in un Big Crunch. E se aumentasse il suo tasso di espansione nel tempo, potrebbe distruggere ogni galassia, stella e atomo entro 100 miliardi di anni, uno scenario soprannominato “The Big Rip”.
La mappa 3D a grande struttura di DESI contiene informazioni che vanno oltre le oscillazioni acustiche barioniche. Ad esempio, potrebbero esserci implicazioni future per il dibattito in corso sul valore della costante di Hubble.
Ci sono fondamentalmente tre metodi che gli scienziati usano per misurare la costante di Hubble: osservare gli oggetti vicini per vedere quanto velocemente si muovono, le onde gravitazionali prodotte dalla collisione di buchi neri o stelle di neutroni e misurare piccole deviazioni nella CMB. Tuttavia, i vari metodi hanno fornito valori diversi.
In breve, lo abbiamo misurato utilizzando le informazioni del cosmic microwave background estrapolate fino ad oggi e ottenendo un valore. E lo abbiamo misurato utilizzando la distanza apparente dagli oggetti nell’Universo attuale e abbiamo ottenuto un valore che differisce di circa il 10%.
Per quanto si può dire, non c’è niente di sbagliato in nessuna delle due misurazioni, e non esiste un modo ovvio per convincerli ad essere d’accordo. DESI fornisce ancora un altro prezioso set di dati indipendente. I risultati preliminari del DESI indicano un valore “forse leggermente più grande” delle misurazioni della CMB, ma ancora più o meno “nello stesso livello”, secondo Palanque-Delabrouille.
La mappa del DESI è sensibile anche alle masse dei neutrini, un altro punto di dibattito tra i fisici. Il modello Lambda-CDM impone rigide restrizioni al limite superiore delle masse dei neutrini. Questo potrebbe cambiare se l’energia oscura risultasse variabile anziché costante: il limite superiore aumenterebbe leggermente, secondo Palanque-Delabrouille.
“È ancora molto più rigoroso di qualsiasi cosa otterremmo dalle misurazioni dirette della massa dei neutrini, ma non possiamo ancora dire quali siano le masse“.
“Stiamo diventando limiti superiori sempre più ristretti, ma sono ancora molto sensibili alle ipotesi che facciamo nei nostri modelli. Ad un certo punto vorremmo vedere un picco nei dati, non solo un limite superiore“.
